2.5 Энергия ионизации и сродства к электрону

      Одна  из важнейших характеристик атома  – его способность отдавать и присоединять электроны.

      Количественно эти свойства определяются энергией ионизации, которой называется количество энергии.. необходимое для отрыва электрона от невозбужденного атома, и сродством к электрону, которым  называется количество энергии, выделяющейся при присоединении электрона к нейтральному атому. В расчете на один атом эта энергия обычно выражается в электронвольтах, а на один моль – в килоджоулях (1эВ/атом = 96,5 кДж/моль).

      Очевидно, что и энергия ионизации, и  сродство к электрону должны возрастать с увеличением заряда ядра и уменьшением радиуса атома. Это одновременно происходит при движении в периоде слева направо.

      При движении в группах сверху вниз увеличение числа электронных уровней (увеличение размера атомов) и увеличение зарядов ядер действуют в противоположных направлениях. В главных подгруппах преобладает, первый фактор, а в побочных – второй.

2.6 Электроотрицательность

      Энергии ионизации и сродства к электрону  в совокупности характеризуют относительную  способность атомов перетягивать к себе электроны другого атома. Оба эффекта обобщает характеристика элемента, названная его электроотрицательностью. Она может быть оценена как полусумма потенциала ионизации (I) и энергии сродства к электрону (Е):

      Χ=1/2(I+Е)

      В соединении двух атомов электронная плотность смещена к атому с большей эленктроотрицательностью. Поэтому электроотрицательность служит удобной качественной характеристикой, связанной с полярностью химической связи. В таблице 2 ниже приведены относительные электроотрицательности элементов, причем за 1 принята электроотрицательность лития и за 4 – фтора.

      Таблица 2. Относительные электоотрицательности элементов (по Полингу)

2.7 Степень окисления и валентность

      Все химические реакции можно разбить  на два типа : реакции, протекающие  без изменения степеней окисления  атомов, входящих в состав реагирующих  молекул, и реакции, протекающие  с изменением степеней окисления  атомов реагирующих веществ.

      В качестве примера реакций первого типа модно привести реакции:

      NCl + NaOH = NaCl + H₂O

      Реакции второго типа:

      Zn⁰ +2H⁺¹Cl^-1 = Zn⁺²Cl^-1₂ + H⁰₂↑

      2HG⁺²O^-2 = 2Hg⁰ + O⁰₂

      Реакции, протекающие с изменением степени  окисления атомов, входящих в состав реагирующих молекул, называются окислительно-восстановительными. Окислительно-восстановительные реакции принадлежат к числу наиболее распространенных химических реакций. Дыхание, фотосинтез, обмен веществ и ряд биологических процессов в основе своей являются окислительно-восстановительными реакциями. В технике значение окислительно-восстановительных реакций также велико. Так, вся металлургическая промышленность основана на окислительно-восстановительных процессах, в ходе  которых металлы выделяются из природных соединений.

      Рассмотрим  основные положения, относящиеся к  теории окислительно-восстановительных  реакций.

      1. Окислением называется процесс  отдачи атомом, молекулой или  ионом электронов.

      Например. 

      Al - 3ē = Al³⁺,

      H₂ -2ē = 2H⁺,

      Fe²⁺ - ē = Fe³⁺,

      2Cl^- - 2ē = Cl₂.

      При окислении степень окисления  повышается.

      2. Восстановлением называется процесс  присоединения электронов атомом, молекулой или ионом. Например:

      S + 2ē = S^2-,

      Cl₂ + 2ē = 2Cl^-,

      Fe³ + ē = Fe²⁺.

      При восстановлении степень окисления  понижается.

      3. Атомы, молекулы или ионы, отдающие электроны, называются восстановителями. Во время реакции они окисляются. Атомы, молекулы или ионы, присоединяющие электроны, называются окислителями. Во время реакции они восстанавливаются. Так как атомы, молекулы и ионы представляют определенные вещества, то и эти вещества соответственно называются окислителями и восстановителями.

      4. окисление всегда сопровождается  восстановлением, и, наоборот, восстановление  всегда связано с окислением. Поэтому окислительно-восстановительные реакции представляют собой единство двух противоположных процессов – окисления и восстановления.. в этих реакциях число электронов, отдаваемых восстановителем, равно числу электронов, присоединяемых окислителем. При этом независимо от того, переходят ли электроны с одного  на другой полностью или частично оттягиваются к одному из  атомов, условно говорят только об отдаче и  присоединении электронов. С современной точки зрения изменение степени окисления связано с перераспределением электронной плотности между атомами реагирующих веществ.

      В окислительно-восстановительных реакциях проявляется одно из свойств атомов, молекул и ионов, которое называется валентность. Валентность  - это мера способности атома химического  элемента (или атомной группы) образовывать химические связи с другими атомами (или атомными группами).

      Различают два типа валентности главную  и побочную

      Главная валентность отвечает обычной валентности  элемента, проявляемой в результате взаимодействия отдельных атомов или  радикалов. За счет главной валентности образуются соединения первого порядка, например H2O₂, HNO3,CdSO₄.

      Валентности атомов при этом насыщаются не полностью 

      Побочная  валентность  - это дополнительная валентность, за счет которой возможно взаимное сочетание отдельных молекул, радикалов, частиц, способных к самостоятельному существованию, приводящее к образованию соединений высшего порядка.

      Атомы каждого элемента стремятся насытить как главную, так и побочную валентности. 

 

3. Радиоактивность

3.1 Строение атомных ядер. Изотопы

      Первые  экспериментальные структурные  данные были получены в работах  Резерфорда (1871 - 19037) по рассеянию α-частиц тонкими металлическими фольгами. Характер этого рассеяния мог быть объяснен только в предположении, что практически  вся масса атома сосредоточена в положительно заряженном ядре. В 1911 г. Резерфорд предложил планетарную модель строения атома: вокруг массивного и маленького положительно заряженного ядра (его объем составляет ~10^-15 объема атома) по некоторым орбитам вращаются электроны, нейтрализующие ядерный заряд. Из этих же опытов мог быть вычислен и заряд ядра. Так, в экспериментах с платиновой, серебряной и медной фольгами для зарядов ядер были получены значения (в единицах заряда электрона) 77,4; 46,3 29,3 соответственно. Порядковые номера названных элементов в периодической системе 78, 47 29. ясно, что заряд ядра равен атомному номеру элемента. Этой же величине должно равняться число электронов в атоме вследствие электронейтральности последнего.

      Существование  атома Резерфорда противоречило законам электродинамики, согласно которым вращающийся вокруг ядра электрон, т.е. отрицательный заряд , движущийся ускоренно в электрическом поле ядра, должен излучать электромагнитные волны, следовательно терять энергию и непрерывно приближаться к ядру.

      Первая  теория строения атома принадлежит  великому датскому физику Н. Бору (1885-1962), разработавшему модель строения атома  водорода и водородоподобных, т.е. одноэлектронных, атомов.

      Итак. Атом – электронейтральная микросистема, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

      Ядра  атомов состоят из двух типов частиц (нуклонов) – протонов и нейтронов.

      Линейные  размеры атома  ~ 10^-8 см, ядра ~ 10^-12 – 10^-13 см.

        Таблица 3. Основные характеристики элементарных чатиц, входящих в состав атома.

 

      Основная  масса атома сосредоточена в  ядре и характеризуется массовым числом А, равным сумме числе протонов (заряду ядра) Z и нейтронов N : A = Z + N .

      Главной характеристикой атома является заряд ядра. Он определяет число  электронов , находящихся вокург ядра, т.е. принадлежность атома к данному виду химических элементов.

      В обозначении атома элемента отражаются массовое число и количество элемента отражается массовое число и количество протонов - _Z^АЭ, например, ³⁵₁₆S, ⁴⁰₁₉K, ²³⁰₉₀Nh.

      Атомы с одинаковыми значениями Z, но с различными A и N (¹⁶₈О, ¹⁷₈О, ¹⁸₈О) называются изотопами, с одинаковыми N, но различными Z и А (²²⁸₈₈Ra, ²³⁰₉₀Th,²³¹₉₁Pa) – изотонами, с одинаковыми А, но различными Z и N (⁴⁰_18Аr, ⁴⁰₁₉K, ⁴⁰₂₀Ca) – изобарами.

      Относительная атомная масса элемента является средней величиной массовых чисел его природных изотопов с учетом их распространенности. Например, хлор в природе находится в основном в виде двух изотопов – ³⁵₁₇CL(75,43%) и ³⁷₁₇ Cl  (24,57%). Относительная атомная масса хлора составляет 35·75,43+37·24,57/100=35,491.

      Устойчивому состоянию ядер атомов соответствуют  определенные соотношения числе  протонов и нейтронов: для легких элементов A/Z ≈ 2, для тяжелых достигает 2,6.

      При нарушении устойчивого протонно-нейтронного  соотношения ядро  (а вместе с ним и атом) становится радиоактивным. Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение неустойчивых атомных ядер в другие ядра, сопровождающееся испусканием различных частиц.

3.2 Радиоактивные элементы  и их распад (альфа-распад, бета-распад, электронный захват, спонтанное давление)

      Основными типами радиоактивных превращений  являются:

1. α-распад:

      ²¹⁰₈₄Ро →²⁰⁶₈₂Pb + ⁴₂Не (α-частица);

2. β-распад трех видов:

      а) электронный за счет ядерного процесса ¹₀ n→¹₁p + β^- + ν̃:

      ¹⁷₇N→¹⁷₇O + β^- + ν̃;

      б) позитронный (¹₁p→¹₀n + β+ + ν):

      ¹¹₆С→¹¹₅В + β⁺ + ν;

      в) электронный захват (¹₁p + е^- → ¹₀n+ ν):

      ⁵¹₂₄Сr + е^- → ⁵¹₂₃V+ ν.

      В приведенных схемах β^- и β⁺ 0- частицы с массой электрона и зарядами, соответственно равными -1 и +1, ν и ν̃ – нейтрино и антинейтрино = элементарные частицы, не обладающие  массой покоя и зарядом.